2022 Fiscal Year Final Research Report

Study of mechanism and develop of new control method of formation of laser induced periodic surface structure on ceramics for medical applications

Research Project

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Project/Area Number	19K05320
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	Kakehata Masayuki 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (70356757)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	屋代英彦国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30358197)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	レーザープロセッシング / 表面修飾 / セラミックス / 生体材料
Outline of Final Research Achievements	Three-mol % yttria-stabilized tetragonal zirconia poly-crystal (3Y-TZP) is an engineering ceramic utilized for mechanical components and medical implants. We have studied fs-laser-induced periodic surface structure (LIPSS) formation on 3Y-TZP with double―pulse pair irradiation experiments. The cross-polarized double pulse pair and counter-rotating circularly polarized double-pulse sequences were irradiated to investigate the LIPSS formation mechanism on 3Y-TZP. We found out that (i) the polarization of the first arriving pulse had strong effect on the LIPSS direction, and (ii) for delay range, where the two pulses overlap in the time domain, the direction of the LIPSS showed cyclic dependence with the period of optical cycle, which related with the temporal evolution of the polarization state and the intensity of the combined laser pulse. Results with cross-polarized and with counter-rotating double-pulse irradiation can be explained with the temporal evolution of the combined pulses.
Free Research Field	工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	従来、表面周期構造形成の研究においてダブルパルス照射実験は、主にパルスが重ならない遅延領域で行われており、形成される周期構造の遅延依存性はパルスの前後による変化に着目したものが多かった。本研究ではパルスが重なる時間領域での周期構造形成の依存性に着目し、誘電体材料であるジルコニアセラミックスの周期構造形成が遅延が光の一サイクルの周期性で変化するという新しい結果を見出し、形成機構として合成される光電場の偏光状態の時間発展と材料の応答に関係するということを示したという新規性の観点で学術的意義が高い。また表面修飾の医療用部材応用として細胞を用いた骨形成評価を進めている点で社会的意義も有する。